Análise matemática de soluções descontínuas de leis de conservação hiperbólicas e resoluções numéricas para a captura de ondas de choque em escoamentos multifásicos em meios porosos

O processo de recuperação secundária de petróleo é comumente realizado com a injeção de água ou gás no reservatório a fim de manter a pressão necessária para sua extração. Para que o investimento seja viável, os gastos com a extração precisam ser menores do que o retorno financeiro obtido com a produção de petróleo. Objetivando-se estudar possíveis cenários para o processo de exploração, costuma-se utilizar simulações dos processos de extração. As equações que modelam esse processo de recuperação são de caráter hiperbólico e não lineares, as quais podem ser interpretadas como Leis de Conservação, cujas soluções são complexas por suas naturezas descontínuas. Essas descontinuidades ou saltos são conhecidas como ondas de choque. Neste trabalho foi abordada uma análise matemática para os fenômenos oriundos de leis de conservação, para em seguida utilizá-la no entendimento do referido problema. Foram estudadas soluções fracas que, fisicamente, podem ser interpretadas como ondas de choque ou rarefação, então, para que fossem distinguidas as fisicamente admissíveis, foi considerado o princípio de entropia, nas suas diversas formas. As simulações foram realizadas nos âmbitos dos escoamentos bifásicos e trifásicos, em que os fluidos são imiscíveis e os efeitos gravitacionais e difusivos, devido à pressão capilar, foram desprezados. Inicialmente, foi feito um estudo comparativo de resoluções numéricas na captura de ondas de choque em escoamento bifásico água-óleo. Neste estudo destacam-se o método Composto LWLF-k, o esquema NonStandard e a introdução da nova função de renormalização para o esquema NonStandard, onde obteve resultados satisfatórios, principalmente em regiões onde a viscosidade do óleo é muito maior do que a viscosidade da água. No escoamento bidimensional, um novo método é proposto, partindo de uma generalização do esquema NonStandard unidimensional. Por fim, é feita uma adaptação dos métodos LWLF-4 e NonStandard para a simulação em escoamentos trifásicos em domínios unidimensional. O esquema NonStandard foi considerado mais eficiente nos problemas abordados, uma vez que sua versão bidimensional mostrou-se satisfatória na captura de ondas de choque em escoamentos bifásicos em meios porosos.

Estudo de viabilidade técnica, econômica e ambiental preliminar da aplicação da tecnologia de Tratamento Térmico de Resíduos e Materiais Multifásicos-TTRM a resíduos de terra diatomácea de usina genérica de produção de biodiesel.

O cenário mundial de matriz energética apresenta dados crescentes de contribuição das energias renováveis. No Brasil, o governo tem realizado esforços para aumento da parcela de combustíveis renováveis, e com isso isso também para o aumento da produção de biodiesel. O principal processo de fabricação de biodiesel com seu polimento em via seca gera quantidades significativas de resíduos, dentre eles, o resíduo de terra diatomácea, com potenciais características de inflamabilidade. Em contrapartida existe a Política Nacional de Resíduos Sólidos com objetivos de não geração, redução, reutilização, reciclagem e redução de periculosidade dos resíduos, e envio para aterro somente de resíduos sem qualquer possibilidade viável de tratamento. O presente trabalho objetiva realizar um estudo de viabilidade técnica, econômica e ambiental preliminar da aplicação da tecnologia de Tratamento Térmico de Resíduos e Materiais Multifásicos - TTRM a resíduo de terra diatomácea - RTD de usina genérica de biodiesel. Foram utilizados como base para o estudo: os resultados dos testes da PETROBRAS e da ALBRECHT realizados em escala de bancada de laboratório e em planta piloto que simularam a aplicação do TTRM ao RTD; premissas técnicas; premissas operacionais; e dados econômicos de referência. Foram estabelecidos cenários específicos para o estudo da aplicabilidade e realizada análise de sensibilidade para os principais fatores da composição dos custos. Observou-se para este estudo preliminar que: na dimensão técnica o TTRM demonstrou ser aplicável; na dimensão econômica, os indicadores são positivos em sua totalidade no cenário esperado, mesmo após análise de sensibilidade com variações de 25% dos principais parâmetros de entrada do estudo de viabilidade; na dimensão ambiental o TTRM demonstrou ser uma alternativa que incorpora os conceitos para uma gestão alinhada com a Política Nacional de Resíduos Sólidos, seja na redução da periculosidade do resíduo, na potencial minimização da geração dos resíduos ou no reuso e reaproveitamento resíduos.

Entre sombras e representações: a construção da identidade psicossocial dos adolescentes que vivem com HIV/aids

Esse estudo teve por objeto a construção da identidade psicossocial dos adolescentes que vivem com o vírus da imunodeficiência humana (HIV) e/ou a síndrome da imunodeficiência humana adquirida (aids). Esse objeto de investigação constitui um fenômeno de representação social, uma vez que é elaborado e compartilhado entre os adolescentes soropositivos ao HIV a partir das interações que se processam entre estes e os outros indivíduos ao conviverem em sociedade. Nesse sentido, os objetivos que nortearam a condução dessa pesquisa foram: analisar a construção da identidade psicossocial de adolescentes que vivem com HIV/aids e as representações sociais que o grupo tece sobre si próprio, analisar como essas representações interferem na construção da identidade psicossocial, identificar as especificidades identitárias do adolescente associadas à condição de soropositividade ao HIV e discutir as demandas que a identidade psicossocial do adolescente que vive com HIV/aids propicia para o cuidado de enfermagem e saúde. Trata-se de pesquisa qualitativa, referenciada à luz da perspectiva processual da Teoria das Representações Sociais, bem como pela Teoria da Identidade Social e a Teoria Ego-ecológica. A pesquisa foi autorizada pelo Comitê de Ética em Pesquisa por meio do CAAE número 13650213.9.0000.5259. O estudo foi desenvolvido em um hospital de referência para o tratamento de HIV/aids, localizado na cidade do Rio de Janeiro. Os participantes do estudo foram 42 adolescentes soropositivos ao HIV, com idades compreendidas entre 15 e 22 anos, atendidos no ambulatório da referida instituição de saúde. Os dados foram coletados a partir de um instrumento de contextualização dos sujeitos e um roteiro composto por uma pergunta aberta e uma adaptação do Inventário Multifásico de Identidade Social. A apresentação e discussão dos dados fundamentaram-se nas proposições metodológicas da Teoria Ego-ecológica e da análise de conteúdo temática. Os resultados indicaram que a construção da identidade dos adolescentes soropositivos é mediada por representações sociais elaboradas sobre si e sobre os outros indivíduos, a partir de um processo dialógico psico-contextual, caracterizando-se por traços positivos e negativos que se refletem, tanto em sua saúde quanto na forma de ser e se posicionar no mundo. Esse processo transcorre em meio a um contexto de vivências de adversidades, através do qual o estigma social exerce influência negativa sobre as representações que os adolescentes constroem sobre si, quando se comparam aos outros grupos sociais com os quais interagem em suas relações cotidianas. Conclui-se que tanto a identidade socialmente construída, quanto os impactos ocasionados pela soropositividade precisam ser valorizados pelas autoridades governamentais e pelos profissionais que realizam atendimento nos diversos cenários de atenção à saúde. Essa valorização se faz necessária à medida que configura uma possibilidade de estabelecer percursos que possam dar o necessário amparo e resolutividade às demandas de saúde identificadas entre os adolescentes soropositivos ao HIV, bem como para seus respectivos familiares ou cuidadores.

The deposition of small particles from a turbulent air flow in a curved duct

The paper describes an experimental and theoretical study of the deposition of small spherical particles from a turbulent air flow in a curved duct. The objective was to investigate the interaction between the streamline curvature of the primary flow and the turbulent deposition mechanisms of diffusion and turbophoresis. The experiments were conducted with particles of uranine (used as a fluorescent tracer) produced by an aerosol generator. The particles were entrained in an air flow which passed vertically downwards through a long straight channel of rectangular cross-section leading to a 90° bend. The inside surfaces of the channel and bend were covered with tape to collect the deposited particles. Following a test run the tape was removed in sections, the uranine was dissolved in sodium hydroxide solution and the deposition rates established by measuring the uranine concentration with a luminescence spectrometer. The experimental results were compared with calculations of particle deposition in a curved duct using a computer program that solved the ensemble-averaged particle mass and momentum conservation equations. A particle density-weighted averaging procedure was used and the equations were expressed in terms of the particle convective, rather than total, velocity. This approach provided a simpler formulation of the particle turbulence correlations generated by the averaging process. The computer program was used to investigate the distance required to achieve a fully-developed particle flow in the straight entry channel as well as the variation of the deposition rate around the bend. The simulations showed good agreement with the experimental results. © 2012 Elsevier Ltd.

Characteristics of blood flow in microchannels and relevant impact on modelling blood behaviour in biochip separators

This paper reports a perspective investigation of computational modelling of blood fluid in microchannel devices as a preparation for future research on fluid-structure interaction (FSI) in biofluid mechanics. The investigation is carried out through two aspects, respectively on physical behaviours of blood flow in microchannels and appropriate methodology for modelling. The physics of blood flow is targeted to the challenges for describing blood flow in microchannels, including rheology of blood fluid, suspension features of red blood cells (RBCs), laminar hydrodynamic influence and effect of surface roughness. The analysis shows that due to the hyperelastic property of RBC and its comparable dimension with microchannels, blood fluid shows complex behaviours of two phase flow. The trajectory and migration of RBCs require accurate description of RBC deformation and interaction with plasma. Following on a discussion of modelling approaches, i.e. Eulerian method and Lagrangian method, the main stream modelling methods for multiphase flow are reviewed and their suitability to blood flow is analysed. It is concluded that the key issue for blood flow modelling is how to describe the suspended blood cells, modelled by Lagrangian method, and couple them with the based flow, modelled by Eulerian method. The multiphase flow methods are thereby classified based on the number of points required for describing a particle, as follows: (i) single-point particle methods, (ii) mutli-point particle methods, (iii) functional particle methods, and (iv) fluid particle methods. While single-point particle methods concentrate on particle dynamic movement, multipoint and functional particle methods can take into account particle mechanics and thus offer more detailed information for individual particles. Fluid particle methods provide good compromise between two phases, but require additional information for particle mechanics. For furthermore detailed description, we suggest to investigate the possibility using two domain coupling method, in which particles and base flow are modelled by two separated solvers. It is expected that this paper could clarify relevant issues in numerical modelling of blood flow in microchannels and induce some considerations for modelling blood flow using multiphase flow methods. © 2012 IEEE.

Simulations of thermal upgrading methods for oil shale reservoirs

This paper analyzes reaction and thermal front development in porous reservoirs with reacting flows, such as those encountered in shale oil extraction. A set of dimensionless parameters and a 3D code are developed in order to investigate the important physical and chemical variables of such reservoirs when heated by in situ methods. This contribution builds on a 1D model developed for the precursor study to this work. Theory necessary for this study is presented, namely shale decomposition chemical mechanisms, governing equations for multiphase flow in porous media and necessary closure models. Plotting the ratio of the thermal wave speed to the fluid speed allows one to infer that the reaction wave front ends where this ratio is at a minimum. The reaction front follows the thermal front closely, thus allowing assumptions to be made about the extent of decomposition solely by looking at thermal wave progression. Furthermore, this sensitivity analysis showed that a certain minimum permeability is required in order to ensure the formation of a traveling thermal wave. It was found that by studying the non-dimensional governing parameters of the system one can ascribe characteristic values for these parameters for given initial and boundary conditions. This allows one to roughly predict the performance of a particular method on a particular reservoir given approximate values for initial and boundary conditions. Channelling and flow blockage due to carbon residue buildup impeded each method's performance. Blockage was found to be a result of imbalanced heating. Copyright 2012, Society of Petroleum Engineers.

海底沉积层中水合物成藏过程模拟

水合物成藏是一种动态演变过程，从生成和分解速度相对大小角度提出了天然气水合物的动态成藏理论；分析指出天然气水合物储层状态主要存在三种类型：成长型（包括渗透型与扩散型）、成熟型和消退型，必须结合经济型指标对这三种类型水合物藏进行开采可行性研究。 通过在自制的透明鼓泡反应釜内模拟气体迁移与水合物形成实验，解释了气体迁移对体系内传热与传质、溶解性质、过压等的影响因，进一步指出需要研究新的水合物相图。 从传热角度建立了水合物生长模型，计算并比较了南海北部陆坡琼东南盆地里甲烷水合物在渗漏系统和扩散系统下的生长速度，指出前者比后者快约20-40倍。 建立了水-气（游离气）-水合物-盐反应的多相流模型，演绎了在四个不同时刻随着水合物的形成，溶解度、渗透率、毛细压力、饱和度及盐度等的联动演变关系，并分析和比较了在沉积层水合物稳定区域内不同游离气饱和度和甲烷渗漏通量情况下水合物的形成过程和三种成藏类别。 反演了神狐海域水合物的形成，指出该区很可能是属于发育阶段的成长型渗漏系统水合物储藏，按照甲烷渗漏通量为0.5kg/m2·a计算，该地区已演化了约4800a，还需要约2700ka孔隙中水合物可到最大体积饱和度，达约75%，并在此后游离气将溢出沉积层进入海水中；计算得最终的甲烷水合物储量约为1.47×109m3，即该区最终将储存着约2200亿立方米甲烷气，是现在预测的约13倍！

The methane hydrate formation and the resource estimate resulting from free gas migration in seeping seafloor hydrate stability zone

It is a typical multiphase flow process for hydrate formation in seeping seafloor sediments. Free gas can not only be present but also take part in formation of hydrate. The volume fraction of free gas in local pore of hydrate stable zone (HSZ) influences the formation of hydrate in seeping seafloor area, and methane flux determines the abundance and resource of hydrate-bearing reservoirs. In this paper, a multiphase flow model including water (dissolved methane and salt)-free gas hydrate has been established to describe this kind of flow-transfer-reaction process where there exists a large scale of free gas migration and transform in seafloor pore. In the order of three different scenarios, the conversions among permeability, capillary pressure, phase saturations and salinity along with the formation of hydrate have been deducted. Furthermore, the influence of four sorts of free gas saturations and three classes of methane fluxes on hydrate formation and the resource has also been analyzed and compared. Based on the rules drawn from the simulation, and combined information gotten from drills in field, the methane hydrate(MH) formation in Shenhu area of South China Sea has been forecasted. It has been speculated that there may breed a moderate methane flux below this seafloor HSZ. If the flux is about 0.5 kg m-2 a-1, then it will go on to evolve about 2700 ka until the hydrate saturation in pore will arrive its peak (about 75%). Approximately 1.47 109 m3 MH has been reckoned in this marine basin finally, is about 13 times over preliminary estimate.

Seed bubbles stabilize flow and heat transfer in parallel microchannels

Seed bubbles are generated on microheaters located at the microchannel upstream and driven by a pulse voltage signal, to improve flow and heat transfer performance in microchannels. The present study investigates how seed bubbles stabilize flow and heat transfer in micro-boiling systems. For the forced convection flow, when heat flux at the wall surface is continuously increased, flow instability is self-sustained in microchannels with large oscillation amplitudes and long periods. Introduction of seed bubbles in time sequence improves flow and heat transfer performance significantly. Low frequency (similar to 10 Hz) seed bubbles not only decrease oscillation amplitudes of pressure drops, fluid inlet and outlet temperatures and heating surface temperatures, but also shorten oscillation cycle periods. High frequency (similar to 100 Hz or high) seed bubbles completely suppress the flow instability and the heat transfer system displays stable parameters of pressure drops, fluid inlet and outlet temperatures and heating surface temperatures. Flow visualizations show that a quasi-stable boundary interface from spheric bubble to elongated bubble is maintained in a very narrow distance range at any time. The seed bubble technique almost does not increase the pressure drop across microsystems, which is thoroughly different from those reported in the literature. The higher the seed bubble frequency, the more decreased heating surface temperatures are. A saturation seed bubble frequency of 1000-2000 Hz can be reached, at which heat transfer enhancement attains the maximum degree, inferring a complete thermal equilibrium of vapor and liquid phases in microchannels. Benefits of the seed bubble technique are the stabilization of flow and heat transfer, decreasing heating surface temperatures and improving temperature uniformity of the heating surface.

Multi-channel effect of condensation flow in a micro triple-channel condenser

Multi-channel effect is important to understand transport phenomenon in phase change systems with parallel channels. In this paper, visualization studies were performed to study the multi-channel effect in a silicon triple-channel condenser with an aspect ratio of 0.04. Saturated water vapor was pumped into the microcondenser, which was horizontally positioned. The condenser was cooled by the air natural convention heat transfer in the air environment. Flow patterns are either the annular flow at high inlet vapor pressures, or a quasi-stable elongated bubble at the microchannel upstream followed by a detaching or detached miniature bubble at smaller inlet vapor pressures. The downstream miniature bubble was detached from the elongated bubble tip induced by the maximum Weber number there. It is observed that either a single vapor thread or dual vapor threads are at the front of the elongated bubble. A miniature bubble is fully formed by breaking up the vapor thread or threads. The transient vapor thread formation and breakup process is exactly symmetry against the centerline of the center channel. In side channels, the Marangoni effect induced by the small temperature variation over the channel width direction causes the vapor thread formation and breakup process deviating from the side channel centerline and approaching the center channel. The Marangoni effect further forces the detached bubble to rotate and approach the center channel, because the center channel always has higher temperatures, indicating the multi-channel effect. 

Pool boiling heat transfer of ultra-light copper foam with open cells

High speed visualizations and thermal performance studies of pool boiling heat transfer on copper foam covers were performed at atmospheric pressure, with the heating surface area of 12.0 mm by 12.0 mm, using acetone as the working fluid. The foam covers have ppi (pores per inch) from 30 to 90, cover thickness from 2.0 to 5.0 mm, and porosity of 0.88 and 0.95. The surface superheats are from -20 to 190 K, and the heat fluxes reach 140 W/cm(2). The 30 and 60 ppi foam covers show the periodic single bubble generation and departure pattern at low surface superheats. With continuous increases in surface superheats, they show the periodic bubble coalescence and/or re-coalescence pattern. Cage bubbles were observed to be those with liquid filled inside and vented to the pool liquid. For the 90 ppi foam covers, the bubble coalescence takes place at low surface superheats. At moderate or large surface superheats, vapor fragments continuously escape to the pool liquid. Boiling curves of copper foams show three distinct regions. Region I and II are those of natural convection heat transfer, and nucleate boiling heat transfer for all the foam covers. Region III is that of either a resistance to vapor release for the 30 and 60 ppi foam covers, or a capillary-assist liquid flow towards foam cells for the 90 ppi foam covers. The value of ppi has an important effect on the thermal performance. Boiling curves are crossed between the high and low ppi foam covers. Low ppi foams have better thermal performance at low surface superheats, but high ppi foams have better one at moderate or large surface superheats and extend the operation range of surface superheats. The effects of other factors such as pool liquid temperature, foam cover thickness on the thermal performance are also discussed.